Nuwe tipe onderwater akoestiese transducer en nuwe tegnologie van transducer

Akoestiese golwe is die enigste draer wat mense het wat inligting en energie oor lang afstande in die uitgestrekte see kan oordra. Op die land gebruik mense elektromagnetiese golwe om radars te ontwikkel. Net so gebruik mense akoestiese golwe as inligtingsdraers om onderwaterteikens vir opsporing, en elektroniese toerusting vir posisionering, identifikasie en kommunikasie-sonar te ontwikkel. Teenoor die uitgestrekte oseaan, skou sonar 'n belangrike missie wat alle uithoeke van die uitgestrekte oseaan bereik, verskeie dinge daarin identifiseer, wat mense die ware gesig van die onderwaterwêreld vertel, en mense help om die geheimenisse van die oseaan te verken, om sodoende onderwater kommunikasie navigasie te word, watervisserye, mariene hulpbronontwikkeling, mariene geologie en geomorfologie verkenning, Die rede waarom klankgolwe inligting die beste geword het in golwe. die kleinste verswakkingskoëffisiënt in vergelyking met ander fisiese velde soos elektromagnetiese golwe, en kan oor lang afstande uitgesaai word. Hierdie voordeel maak sonar deur ultrasoniese golwe te gebruik om van die begin af onder water waar te neem. Die doelwit begin en gaan voort om te ontwikkel. Tans is die werkfrekwensieband van sonar uitgebrei na 'n wye reeks. Aktiewe sonar is uitgebrei van tiene Hz tot tiene MHz, en die laefrekwensie-einde van passiewe sonar is uitgebrei na die infraklankreeks. In so ’n wye frekwensieband, volgens regulasies, word die belangrike toestel wat klankgolwe in die vorm van seine stimuleer en genereer en waarneem en klankgolwe in water sonder vervorming ontvang, sonaromskakelaar of sonarskikking genoem. Hierdie toestelle is die voorkant-toerusting van die sonarstelsel, sowel as die 'venster' vir die sonarstelsel om met die watermedium te kommunikeer en inligting uit te ruil, en is die 'realiseerders' van die sonarstelsel se funksies, vir sonar-omskakelaars of sonar-skikkings. Dit word duidelik na verwys as die 'oë en ore' van die sonarstelsel. Met die voortdurende uitbreiding van die toepassingsveld van sonartegnologie en die steeds toenemende vraag na militêre konfrontasie en gevegte, het nuwe beginsels, nuwe tegnologieë en nuwe sonartoerusting een na die ander, een na die ander na vore gekom. Die ontwikkelingsvereistes van nuwe sonartegnologie het die vinnige ontwikkeling van transducer-tegnologie aangedryf, en dieselfde tegnologiese deurbrake op die gebied van transducers en die ontwikkeling van nuwe materiale, nuwe meganismes en nuwe strukture van onderwater akoestiese omskakelaars het ook die sonarstelsel 'verfrissend' gemaak. Hier is 'n kort oorsig van die ontwikkelingstatus van transducer-tegnologie in onlangse jare gebaseer op die inligting waaroor die skrywer beskik en die beperkte vlak van begrip. Dit sluit hoofsaaklik nuwe materiaal hidro-akoestiese transducer, nuwe struktuur en nuwe meganisme hidro-akoestiese transducer, nuwe tipe hidrofoon, breëband transducer tegnologie en so aan.

 

2 Nuwe materiaal onderwater akoestiese transducer

 

Die transducer is 'n toestel wat energie-omsetting in die sonarstelsel realiseer. In die transducer is daar 'n spesiale materiaal wat die vermoë het om energie om te skakel. Hierdie materiaal word 'n funksionele materiaal genoem. Die funksionele materiale wat gebruik word om transduktors te maak, sluit hoofsaaklik piëso-elektriese materiale in (soos piëzo-elektriese kristalle, piëzo-elektriese keramiek, piëzo-elektriese polimere, ens.) en magnetostriktiewe materiale (soos nikkel, kobalt, nikkel-yster-legerings, ferriete, seldsame aarde-effektiewe yster-legerings, ens.), ens.) besef die wedersydse omskakeling tussen elektriese veldenergie of magnetiese veldenergie en meganiese energie. Die deurbraak van transducer-tegnologie word fundamenteel bepaal deur die tegnologiese deurbraak van funksionele materiale. In onlangse jare het verskeie tegniese prestasies op die gebied van funksionele materiale ook die aanbreek van die ontwikkeling van transducer-tegnologie gebring. Die dokter het ontdek dat die lantanied seldsame aardmateriaal wonderlike magnetostriktiewe eienskappe het, maar dit is nie in die praktyk gebruik nie omdat die curiepunt laer as kamertemperatuur is. Later is ontdek dat binêre, drieledige of kwaternêre legerings wat uit seldsame aardelemente en yster saamgestel is, ook reuse-magnetostriktiewe eienskappe by kamertemperatuur het. Die mees verteenwoordigende seldsame aardlegering is Terfenol-D (die samestelling is Tb0.27Dy0.73Fe1). 95), het dit 'n nuwe soort funksionele materiaal geword wat sedert die 1980's baie aandag getrek het. Ontspanning ferro-elektriese enkelkristal lood magnesium niobaat-lood titanaat (PMN-PT) en lood sink niobaat-lood titanaat (na verwys as PZN-PT) is nuwe tipes saamgestelde perovskiet kristal materiale, en hulle is ook opkomende 'n Klas van nuwe funksionele materiale met groot toepassingsvooruitsigte. Voor dit was nikkel algemeen gebruik as 'n materiaal vir transduktors. In 1917 het die Franse wetenskaplike Langevin 'n sonar-omskakelaar met 'n kwartskristal gemaak, wat 'n presedent geskep het vir die toepassing van piëzo-elektriese materiale in die sonar in die 1940's, BaTiO3 pzt-keramiek met sterk piëzo-elektriese eienskappe is suksesvol ontwikkel en is wyd gebruik in sonarstelsels. Die PZT piëzo-elektriese keramiek wat in die 1950's ontwikkel is, het 'n wye bedryfstemperatuurreeks en uitstekende elektromeganiese eienskappe. Die omskakelingsdoeltreffendheid maak op vir die ontoereikendheid van Ba ​​TiO3-keramiek en het een keer die materiaal van keuse geword vir akoestiese onderwater-omskakelaars. Onder hulle is die piëzo-elektriese keramiekmateriaal met 'n hoë energiedigtheid PZT-8. 'n Eenvoudige vergelyking van die bogenoemde materiale: Terfenol-D, PMN-PT, PZN-PT kan spanning produseer ongeveer 5 keer dié van PZT-8 en 50 keer dié van nikkel; die piëso-elektriese konstantes van PMN-PT en PZN-PT is d33. Dit is 6-8 keer dié van PZT-8-materiaal. Die gebruik van hierdie pzt-materiale om nuwe akoestiese onderwater-omskakelaars te ontwikkel is een van die huidige warm onderwerpe.

 

Magnetostrictive materiaal van silinder onderwater akoestiese transducer is skaars, watter aardreuse magnetostriktiewe materiaal gebruik magnetostriktiewe effek om die wedersydse omskakeling tussen magnetiese veldenergie en meganiese energie te realiseer, en word hoofsaaklik gebruik om lae-frekwensie en hoë-krag onderwater akoestiese emissie-omskakelaars te ontwikkel. Dit is 'n soort 'komplekse' struktuur van die transducer-hoë temperatuur supergeleidende magnetostriktiewe hidro-akoestiese transducer. Vanuit die perspektief van die struktuur van die transducer, is die struktuur daarvan baie eenvoudig. Dit is 'n gewone dubbele-radiator longitudinale transducer. Die sogenaamde 'kompleks' verwys hier na sy ryk fisiese konnotasie. Die magnetostriktiewe krag van seldsame aardlegeringsmateriale by lae temperatuur is groter as dié by kamertemperatuur. Byvoorbeeld, die maksimum magnetostriktiewe spanning van Tb0.6Dy0.4 by 77K temperatuur is 0.65%, terwyl Terfenol-D by kamertemperatuur is. Die hoogste magnetostriktiewe spanning is 0,25%. Ontwikkel 'n Tb0.6Dy0.4 materiaal magnetostriktiewe hidro-akoestiese transducer met 'n temperatuurreeks van 50-60K: die skaars-aarde legering staafvormige materiaal word in die lugversorgingskamer geplaas, en die koeltoring van die yskas word siklies afgekoel, en die lugversorgingskamer word voorsien deur 'n koil-supergeleidingsmateriaal. Die voorspanningsmagnetiese veld en die opwekkingsmagnetiese veld prikkel die magnetostriktiewe staaf om strekvibrasie te produseer, wat deur die meganiese oorgangsstuk na die suiertipe uitstralende oppervlak oorgedra word, en die suiertipe uitstralende oppervlak druk die watermedium om drukgolfstraling te genereer. 'n Vakuumkamer is in die struktuur ontwerp om hittegeleiding te isoleer. Die buitewand van die vakuumkamer is 'n koepelvormige drukbestande deksel wat 'n druk van 10 atmosfeer kan weerstaan. Die belangrikste tegniese parameters is soos volg: resonansie frekwensie 430 Hz, maksimum klank bron vlak 181. 4db, die doeltreffendheid is ongeveer 25%. Die vervaardigingsproses van hierdie soort transducer is ingewikkeld. In onlangse jare is mense steeds bereid om terfenol-D-materiaal te gebruik wat by kamertemperatuur werk, 'n mate van magnetostriktiewe spanning te laat vaar en dit met 'n nuwe struktuur te vervang om uitstekende bestralingsprestasie te behaal. Die volgende is 'n kort inleiding tot die navorsingsvordering van verskeie strukturele magnetostriktiewe materiale in akoestiese onderwatertransduktors. Die longitudinale transducer het 'n eenvoudige struktuur. Die magnetostriktiewe staaf word gekombineer met die voorste uitstralende kop- en stertmassa om 'n soortgelyke eendimensionele vibrasiestelsel te vorm. Die voorste uitstralende kop is oor die algemeen van liggewig materiale gemaak, en die stertmassa word gewoonlik van digte materiale gemaak om 'n stralende oppervlak te verkry. Voer groter vibrasieverplasing uit. Twee longitudinale omvormers wat met Terfenol-D-materiale ontwikkel is, word bekendgestel. Een is 'n algemene longitudinale omskakelaar met 'n resonansiefrekwensie van 1200 Hz, 'n klankkrag van 3 kW, en 'n omsettergewig van 60 kg; die ander is die seldsame aardstaaf aan albei kante. Ontwerp as 'n horingvormige, dubbele uitstralende longitudinale omskakelaar, is die resonansiefrekwensie 400 Hz, die klankkrag is 1,5 kW, en die gewig van die omsetter is tot 100 kg. Ringvormige transducer: 'n gereelde veelhoek omring deur 'n aantal seldsame aardstawe, en 'n reeks sirkelvormige boogoppervlaktes word deur die oorgangsstuk opgewonde om radiale vibrasies te maak om hoë-krag akoestiese bestraling te verkry. 'n Reeks seldsame aardlae-frekwensie hoë-krag toroïdale omskakelaars is ontwikkel, insluitend transduktors met 'n resonante frekwensie van 200 Hz (binne deursnee 0.56m, buitenste deursnee 0.94m, hoogte 0.37m, klankbronvlak 193dB, gewig 410kg) En 'n transduser met 'n hoogte van 3mz diam. 1.1m, klankbronvlak 195dB, gewig 5t). Buigspanning-omskakelaar is 'n soort transducer wat die longitudinale vibrasie van piëzo-elektriese keramiekstapel of magnetostriktiewe staaf gebruik om die stralingsoppervlak van die dop (of vatstraal) op te wek met amplitudeversterkingseffek vir buigvibrasie. Verskeie algemeen gebruikte transduktors word gelys. Tipes buigspanning-omskakelaars, waaronder I, II en III dieselfde eienskappe het. Die longitudinale vibrerende staaf prikkel 'n rotasie-simmetriese geboë dop. Die dop kan 'n aaneenlopende struktuur wees of 'n struktuur wat in 'n groep balke gesny is. Purcell het Terfenol-D-materiaal gebruik om 'n konkawe balk-buigspanning-omskakelaar (tipe III) met 'n resonansiefrekwensie van 1300 Hz, 'n klankbronvlak van 188.7 dB en 'n bandwydte van 600 Hz te ontwikkel. As gevolg van die gebruik van 'n enkele staaf oop magnetiese stroombaan, is die resonansie frekwensie Die maksimum AC elektroakoestiese doeltreffendheid is slegs 7%, en die gewig van die transducer is 2.7kg. Vislip-buigspanning-omvormers het algemene kenmerke. Die transducer word opgewonde deur 'n longitudinale vibrerende staaf om die konvekse of konkawe elliptiese dop te buig om hoëkragbestraling te verkry. Die vislip-buigspanning-omskakelaar neem die amplitude-versterkingseffek aan. Die effek van weeg met oppervlakte verhoog die klankstralingskrag. Gerapporteer dat hierdie nuwe tipe lae-frekwensie hoë-krag onderwater akoestiese transducer, insluitend die resonante frekwensie van 210Hz, 450Hz, 800Hz en 1200Hz, die navorsingsresultate van hierdie nuwe tipe transducer word tans gebruik in akaartiese klankstelsels, soos teikenklankstelsels soos teikenklankstelsels. bronne en geraassimulators.

 

Ontspanning ferro-elektriese materiaal onderwater akoestiese transducer

 

Relaxor ferro-elektriese materiale is 'n soort potensiële funksionele materiale wat verdeel kan word in elektrostriktiewe keramiektipes en relaxor ferroelektriese enkelkristaltipes. Die vervaardigingsproses van relaxor ferro-elektriese enkelkristalle is baie meer ingewikkeld as dié van elektrostriktiewe keramiekmateriale. Navorsers het hierdie materiale gebruik om baie soorte transduktors te maak, soos buigomvormers, longitudinale omvormers en so meer. Die omskakelaar vervaardigingstegnologie van hierdie tipe materiaal is meer ingewikkeld, en dit is nodig om 'n GS-voorspanning elektriese veld by te voeg, voorspanning toe te pas en die temperatuur van die proses te beheer. Die gebruik van PMN-PT-BT (loodmagnesiumniobaat-loodtitanaat-bariumtitanaat) elektrostriktiewe keramiek het die IV-tipe buigspanning-omskakelaar ontwikkel. Die navorsingsresultate toon dat die ontwikkelde transducer nie die potensiaal van die materiaal gemaksimeer het nie. Hierdie werk sal nog vir 'n tydperk een van die brandpunte wees wat op die gebied van akoestiese onderwater-omskakelaars ondersoek moet word. Die gebruik van PMN-PT relaxor ferro-elektriese enkelkristal materiaal om 64 kanale van 3.5MHz ultraklanksonde te bestudeer, wat gebruik word in mediese B-ultraklank en Doppler kleur ultraklank beelding toerusting, wat daarop dui dat ontspan ferroelektriese enkelkristal materiaal in hoëfrekwensie beeld sonar.

 

Piëso-elektriese polimeer film van sferiese onderwater akoestiese transducer kan gemaak word in 'n buigsame membraan, en die transducer kan in enige vorm ontwerp word wanneer die transducer gemaak word, en die akoestiese impedansie van die materiaal is laag, en dit is maklik om impedansie met water en ander vloeibare media en biologiese weefsels te bereik. Bypassende, wat dikwels gebruik word om hoëfrekwensie-standaardhidrofone, hoëfrekwensie-omskakelaars, mediese ultraklank-omskakelaars, konforme skikkings en gediversifiseerde saamgestelde transducer-skikkings te maak, Die algemeen gebruikte piëzo-elektriese polimeer vir die maak van omvormers is hoofsaaklik polivinielideenfluoried (PVDF). Op die oomblik is die meer opvallende piëzo-elektriese polimeer materiaal film EMFi (afkorting van electro mechanicalfil), is 'n soort polipropileen skuim buigsame film, sy piëzo-elektriese konstante is ongeveer 10 keer dié van PVDF, wat gebruik kan word om hoë-sensitiwiteit transducers te maak. Die struktuur van die EMFi-dunfilm-omskakelaar het 'n ontvangoppervlakdeursnee van 35 mm, en die ontvangsensitiwiteit van die omskakelaar is groter as -190dB (verwysingswaarde is 1V/μPa). Hierdie soort transducer kan ook in die lug gebruik word om klankgolwe te ontvang of uit te straal.

 

Bekendstelling van die nuwe struktuur van onderwater akoestiese transducer en verskeie transduksiemeganismes. Funksionele materiale is belangrik in die transducer, maar hulle moet deur 'n geskikte struktuur gespeel word. Daarom blyk die strukturele ontwerp van die transducer veral belangrik te wees in die ontwikkeling van transducer-tegnologie. belangrik. Volgens verskillende toepassingsvelde en verskeie tegniese vereistes, of volgens die kenmerke van verskillende transduksiemeganismes en funksionele materiale, het verskeie soorte transduktors een na die ander uitgekom, waarvan baie multidissiplinêre tegnologieë kombineer om gesamentlik nuwe grond te breek Tegniese probleme om aan sekere spesiale tegniese vereistes te voldoen. Die hoë-temperatuur supergeleidende magnetostriktiewe hidro-akoestiese transducer is 'n tipiese voorbeeld. In die voorafgaande inhoud van hierdie artikel en die tipes transduktors wat later bekendgestel sal word, is baie ook nuwe strukture en nuwe meganismes van onderwater akoestiese transducers. Om nie te herhaal nie, noem hierdie afdeling slegs twee ander ontwerpvoorbeelde van nuwe strukture.

 

Simbaal tipe (simbaal) transducer is 'n soort nuwe struktuur transducer soortgelyk aan flextensional transducer. Elke simbaal tipe transducer bestaan ​​uit 'n paar PZT piëzo-elektriese keramiekskyfies en een. Die metaaldop is aanmekaar gebind. Die PZT piëso-elektriese keramiekskyf pas 'n wisselspanning aan om radiale vibrasie op te wek om die metaaldop vir buigvibrasie op te wek, en die verhoogde metaaldop van die transducer produseer afwisselende vibrasie van 'uitbreiding-krimping'. Bestraling klankgolwe. Wanneer dieselfde wisseldrukgolf op die metaaldop inwerk, sal die druk na die PZT piëso-elektriese keramiekskyf oorgedra word, en die wisselspanning word uitgestuur by die twee pole van die keramiekskyf, wat as 'n ontvangtransduktor gebruik word. Die resonansiefrekwensie van die simbaaltipe-omskakelaar in water is 16.1kHz, en die emissiespanningsreaksie is 130dB (verwysingswaarde is 1μPa/V, by 1m). Figuur 5 toon ook die foto van die 9-element matriks wat uit hierdie tipe transducer saamgestel is. . In die spiraalveer tipe lae frekwensie piëso-elektriese omskakelaar, word die piëzo-elektriese keramiek verwerk in 'n spoelveervorm (soos getoon in Figuur 6), diepiëso-elektriese keramiek-omskakelaar word in die tangensiële rigting gepolariseer, en dan word 'n opwekkingselektrodepaar gekonstrueer. Die neutrale gedeelte met geen elektrodes in die middel word geskei om 'n buitenste ringelektrodepaar 1 en 'n binneringelektrodepaar 2 te vorm (sien die vergrote skematiese diagram van 'n klein fragment in Fig. 6). Op hierdie manier word die opwekkingsspanning V op die elektrodepaar toegepas, die deel van die piëso-elektriese keramiek wat deur die buitenste ringelektrodepaar en die binneringelektrodepaar beheer word, sal teenoorgestelde vibrasies (verlenging of sametrekking) produseer, en die uitsetting en sametrekkingsbeweging van die veerstelsel sal die suierwerkoppervlak dryf om klankenergie te vibreer. As gevolg van die lae styfheid van hierdie struktuur, het dit 'n lae resonansiefrekwensie en kan dit as 'n lae-frekwensie-senderomskakelaar gebruik word. Wanneer dit as 'n ontvanger gebruik word, het dit ook 'n hoë sensitiwiteit in lae frekwensiebande. Deur die piëso-elektriese vergelyking te begin, is die elektromeganiese omskakelingsverwantskap van hierdie tipe transducer verkry, en sommige verkennende navorsingswerk is uitgevoer.

 

Inleiding tot verskeie energie-omskakelingsmeganismes in akoestiese onderwater-omskakelaars Vanuit die perspektief van energie-omskakeling kan transduktors hoofsaaklik verdeel word in piëso-elektriese omskakelaars wat piëso-elektriese effek gebruik om energie-omsetting te bewerkstellig en magnetika wat magnetostriktiewe effek gebruik om energie-omsetting te bewerkstellig. Intrekbare omskakelaars, die omskakelaars wat by die voorafgaande inhoud betrokke is, behoort aan hierdie twee tipes.